不同品種纖維改善混凝土抗裂性能對(duì)比

駱靜靜，王涌，范志勇，秦瓊

（1.蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.蘇州市聯(lián)勝置業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

混凝土作為目前用量最大的建筑材料之一，由于其自身的脆性特征， 在建設(shè)和使用過(guò)程中出現(xiàn)立刻不同程度、不同形式的裂縫。 這些裂縫不僅影響建筑物外觀， 更危及建筑物的安全性和耐久性。 用纖維增強(qiáng)混凝土來(lái)提高混凝土抗裂性和韌性，是目前國(guó)際上一致認(rèn)可的有效方法。

美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)（ACI）對(duì)“纖維增強(qiáng)混凝土”定義[1]為：“纖維增強(qiáng)混凝土是含有細(xì)集料或粗、細(xì)集料的水硬性水泥與非連續(xù)性的分散性纖維組成的混凝土”。 用于增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的纖維，品種眾多，按照纖維模量不同可以分為高彈模纖維和低彈模纖維[2-3]。 由于不同品種纖維的物理力學(xué)性能之間存在差異，因此對(duì)混凝土的改善效果也不同。

本文介紹選用聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維和鋼纖維四種不同品種纖維，用脆性系數(shù)、抗彎韌性和收縮變形來(lái)評(píng)價(jià)混凝土的抗裂性能， 采用接觸法和圓環(huán)法測(cè)定混凝土收縮變形，對(duì)比不同品種纖維對(duì)混凝土抗裂性能的改善效果，并分析其作用機(jī)理。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：宜興天山P·O42.5 水泥；細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)2.4； 粗骨料：5～20 mm 連續(xù)級(jí)配碎石；外加劑：江蘇中凱萘系JC-2 高效減水劑（液劑），減水率25%；水：自來(lái)水；纖維選用聚丙烯纖維、聚丙烯醇纖維、玄武巖纖維、鋼纖維，見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)配合比

基準(zhǔn)混凝土配合比為：水泥：砂：石：水=370:758:1047:185（kg/m3）；纖維體積摻量均為0.1%。 由于纖維摻入會(huì)使混凝土的稠度增大， 流動(dòng)度下降，故制備過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)減水劑用量來(lái)控制塌落度在（180±20） mm 范圍內(nèi)。

表1 試驗(yàn)選用纖維物理力學(xué)性能

1.2.2 抗壓試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)

混凝土脆性系數(shù)試驗(yàn)包括立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)，及試驗(yàn)方法依據(jù)（GB/T50081-2002）《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm， 每種纖維混凝土制作12 個(gè)試塊。

1.2.3 彎曲韌性試驗(yàn)

測(cè)定混凝土試件彎曲時(shí)的斷裂強(qiáng)度、彎曲韌性指數(shù)， 彎曲韌性試驗(yàn)及結(jié)果評(píng)定參照（CECS13：2009）《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗(yàn)用試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm， 每種纖維混凝土制作6 個(gè)試件。

1.2.4 收縮試驗(yàn)

方法一：收縮試驗(yàn)按照（GB/T 50082-2009）《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 中接觸法測(cè)試混凝土試件的收縮值， 試件尺寸為100 mm×100 mm×550 mm，每種纖維混凝土制作3 個(gè)試件。

方法二：參照ASTM C1581-2004 推薦的圓環(huán)法試驗(yàn)方法，結(jié)合張風(fēng)臣改進(jìn)型環(huán)形收縮試驗(yàn)方法[4-5]：試件在試驗(yàn)溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度60%±5%條件下養(yǎng)護(hù)6 h 后小心拆除內(nèi)外環(huán)模具，養(yǎng)護(hù)1 d 后拆除內(nèi)外模，在混凝土環(huán)外側(cè)貼電阻應(yīng)變片，用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄混凝土外環(huán)應(yīng)變值。 試件尺寸：內(nèi)徑305 mm，外徑425 mm（壁厚60 mm），高度為100 mm，每組圓環(huán)試塊為3 個(gè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 收縮變形

接觸法采用臥式混凝土收縮儀測(cè)定混凝土收縮值，試驗(yàn)采取每天測(cè)量并記錄。 不同種類(lèi)纖維混凝土收縮率隨齡期的變化規(guī)律見(jiàn)圖1。 圓環(huán)法連續(xù)實(shí)時(shí)記錄混凝土的應(yīng)變動(dòng)態(tài)，更為準(zhǔn)確地反映混凝土的收縮變形情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1 試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的收縮值逐步增長(zhǎng)。 前期收縮率變化較快，后期增長(zhǎng)程度逐漸平穩(wěn)，收縮值趨于平穩(wěn)。 試驗(yàn)結(jié)果顯示纖維混凝土收縮率均小于基準(zhǔn)混凝土，減小混凝土收縮值效果最好的聚丙烯纖維， 其次是玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、鋼纖維。

圖1 不同種類(lèi)纖維混凝土收縮值

圖2 不同種類(lèi)混凝土收縮應(yīng)變值

由圖2 可知， 混凝土應(yīng)變值變化趨勢(shì)，7 d 養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的混凝土的應(yīng)變值變化比較快，7 d 后混凝土應(yīng)變值增長(zhǎng)幅度減緩，14 d 后應(yīng)變值逐漸平穩(wěn)?；鶞?zhǔn)混凝土的應(yīng)變值最大，纖維混凝土的應(yīng)變值均小于基準(zhǔn)混凝土。 聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變值最小，即說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)混凝土收縮性能改善最明顯， 鋼纖維混凝土應(yīng)變值始終大于其它纖維混凝土，鋼纖維改善收縮作用效果最差。

兩種試驗(yàn)方法得到的規(guī)律完全一致：纖維可改善混凝土的收縮性能， 減少混凝土的早期開(kāi)裂概率。 基于纖維間距理論和復(fù)合材料理論，分析纖維改善混凝土抗裂性能的原因[6-8]：眾多亂象分布的纖維在混凝土中形成三維支撐體系， 阻止骨料下沉，提高混凝土的均質(zhì)性等內(nèi)在品質(zhì)，減少水分散失，防止開(kāi)裂；纖維的加入增強(qiáng)了混凝土的變形能力，減少早期塑性開(kāi)裂的概率。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同纖維品種對(duì)混凝土收縮性能的改善效果存在差異。 分析認(rèn)為，存在這種差異的原因在于纖維在混凝土內(nèi)部形成三維亂向體系不僅可以有效阻隔水分散失的通道，減少或延緩混凝土內(nèi)部水分的散失，而且可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減小混凝土的收縮應(yīng)力，這是纖維降低混凝土收縮的重要原因[9]。從纖維材料的幾何尺寸上來(lái)看，聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維的直徑遠(yuǎn)小于鋼纖維，同體積摻量的情況下，混凝土內(nèi)直徑尺寸較小的纖維數(shù)量較多，比表面積較大，纖維表面的吸附水較多， 減小混凝土內(nèi)部水分的散失，因此改善混凝土收縮的效果較好。

2.2 脆性系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d 取出混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 抗壓（劈拉）增強(qiáng)系數(shù)為纖維混凝土抗壓（劈拉）強(qiáng)度與基準(zhǔn)無(wú)纖維混凝土抗壓（劈拉）的比值，數(shù)值＞1 表示纖維起正效應(yīng)增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，＜1 表示纖維起負(fù)效應(yīng)降低混凝土強(qiáng)度。脆性系數(shù)為抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度之比，其值越低，混凝土的脆性越小，韌性越大，抗裂性越好。

表2 纖維混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度

表2 試驗(yàn)結(jié)果顯示，只有鋼纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正效應(yīng)，抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度稍有提高，提高幅度為3.1%；其余纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)組，聚乙烯醇纖維混凝土的降幅為0.5%，玄武巖纖維混凝土的降幅約2.6%，聚丙烯纖維的降幅最大，降低幅度達(dá)到了9.2%。

纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土，實(shí)現(xiàn)結(jié)果顯示： 纖維可以明顯地提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。與基準(zhǔn)組相比，鋼纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度分別為36.4%； 玄武巖纖維對(duì)劈拉強(qiáng)度的提升幅度分別為13.8%； 提升效果最差的是聚丙烯纖維，提升幅度為1.9%。 一般混凝土理論認(rèn)為[10]：纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度由混凝土基材和纖維兩部分承擔(dān)， 初始受力時(shí)受力主體是混凝土基體，隨著應(yīng)力的增大混凝土出現(xiàn)裂縫、橋連裂縫的纖維開(kāi)始承擔(dān)荷載，荷載超過(guò)纖維與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度或纖維的破壞強(qiáng)度時(shí)， 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限。本試驗(yàn)結(jié)果也顯示，高彈模、高抗拉強(qiáng)度的纖維因?yàn)榫哂休^高的變形能力和斷裂強(qiáng)度對(duì)混凝土的劈拉強(qiáng)度提高更為顯著。

表2 說(shuō)明， 纖維降低了混凝土的脆性指數(shù)，脆性指數(shù)由低到高依此是鋼纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土。分析不同纖維脆性系數(shù)差異的原因，有研究認(rèn)為纖維的彈性模量直接決定了纖維在混凝土中所承擔(dān)的應(yīng)力份額的多少，纖維的彈性模量與混凝土彈性模量的比值越大，受力時(shí)纖維的變形越小，通過(guò)纖維與混凝土截面的剪切應(yīng)力而傳遞給纖維的力的份額越高[11]。 在本試驗(yàn)中鋼纖維的彈性模量最大，在劈拉試驗(yàn)中承受的應(yīng)力最大，通過(guò)自身的變形分散了混凝土截面的剪切應(yīng)力，提高了混凝土的劈拉強(qiáng)度，減小了混凝土的脆性系數(shù)。

2.3 彎曲韌性

試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法， 記錄混凝土荷載-撓度曲線，以韌性指數(shù)I5、I10、I20作為評(píng)價(jià)依據(jù)。韌性指數(shù)根據(jù)ASTM C1018 韌性指數(shù)法計(jì)算[12]，利用理想彈塑性作為材料韌度參考指標(biāo)，初裂撓度的3 倍、5.5 倍和10.5 倍的荷載-撓度所包含的面積與處裂時(shí)荷載撓度對(duì)應(yīng)的面積的比值就是韌度指數(shù)I5、I10、I20。 對(duì)于理想彈塑性體，I5、I10、I20分別等于5、10、20，對(duì)于理想脆性材料，I5、I10、I20均為1。 不同品種纖維混凝土的初裂強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度和韌性指數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 纖維混凝土彎曲韌性指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，纖維混凝土初裂強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度由高到低依此為：鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維。與基準(zhǔn)混凝土相比，聚丙烯纖維對(duì)混凝土的初裂強(qiáng)度稍有提高，但是對(duì)于抗彎拉強(qiáng)度沒(méi)有積極的貢獻(xiàn)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各纖維混凝土韌性指數(shù)見(jiàn)圖3。 由圖3 可以看出彎曲韌性由好到劣的順序是：鋼纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土、聚乙烯醇纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土、基準(zhǔn)混凝土。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：高彈性模量的纖維可以明顯改善混凝土的彎曲韌性。

圖3 不同纖維混凝土韌性指數(shù)

混凝土受彎曲荷載作用會(huì)產(chǎn)生微細(xì)裂縫，裂縫擴(kuò)展會(huì)受到混凝土內(nèi)部纖維網(wǎng)狀系統(tǒng)的阻擋，難以形成大裂紋或貫通裂縫。 詳細(xì)描述纖維增韌作用為：纖維混凝土受彎時(shí)，纖維起到承擔(dān)拉力并保持基體裂縫緩慢擴(kuò)展的作用，混凝土基材出現(xiàn)大量分散裂縫，混凝土基體退出工作，纖維以自身的變形能力來(lái)繼續(xù)抵抗外力的拉拔作用， 材料韌性增強(qiáng)，直到纖維被拉斷或從基體拔出[13-14]。 纖維延緩了混凝土的開(kāi)裂破壞，提高了混凝土彎曲韌性。

試驗(yàn)結(jié)果顯示不同纖維對(duì)混凝土的增韌效果大不相同，分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于：低、中彈性模量的纖維由于自身剛度較小，和高彈性模量的鋼纖維相比， 在混凝土內(nèi)不能形成有效的空間骨架，因此對(duì)混凝土彎曲韌性改善不明顯[15]。 因此高彈性模量纖維如鋼纖維、玄武巖纖維對(duì)混凝土的彎曲韌性改善效果更明顯；而低彈性模量纖維如聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維對(duì)混凝土的彎曲韌性增強(qiáng)作用最弱。

3 結(jié)論

（1） 纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度很難起到增強(qiáng)作用，研究發(fā)現(xiàn)，只有鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度可提高約4%， 其他纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)下降，聚丙烯纖維混凝土的降幅最大達(dá)10.6%。

（2）纖維可提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性、降低混凝土的脆性系數(shù)。 改善效果按照鋼纖維、玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維次序遞減。高彈性模量的纖維提升效果好于中低彈性模量的纖維。

（3）纖維可以改善混凝土的收縮性能，低彈性模量、直徑尺寸較小的纖維對(duì)混凝土的收縮性能改善效果更好，改善效果按照聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、玄武巖纖維、鋼纖維依此遞減。

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